CN110243489B - 一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法 - Google Patents

一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属快速成型技术领域，公开了一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法，装置包括：样品熔体、铸型、多个热电偶和数据采集装置，所述样品熔体位于铸型的正上方，所述铸型为圆柱形，根据热电偶的排布需求，在铸型的侧壁和底部分别等间距设置多个凹孔，且凹孔不穿透铸型，将多个热电偶一一对应插入凹孔中，多个热电偶分别与数据采集装置连接，这种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法，能够对熔体进行三维温度场测定，热电偶不接触熔体，不对熔体产生影响，具有测温准确性高，测量范围广的优点。

Description

一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法
技术领域
本发明涉及金属快速成型技术领域，特别涉及一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法。
背景技术
铸造是冶金和材料领域应用最为普遍的技术之一，它实现了金属熔体由液相向固相的转变。在铸造过程中，研究金属熔体凝固过程中的温度分布对于分析金属熔体的凝固组织演变，完善金属凝固理论及改善铸件的力学性能具有重要意义。同时，随着计算机技术的发展，边界元、有限差分、有限体积等数值模拟技术在研究金属凝固过程中熔体内部的温度、溶质分布等方面具有极大的优势，但是这种模拟往往缺少有效的实验验证。因此，测定铸件凝固过程中的温度分布是十分有必要的。
热电偶是通过两结合点处的温度差产生的Seebeck效应进行测温的，与非接触测温相比，其具有准确性高、测量范围广等的优点，已被广泛应用于金属凝固过程中传热的测定。王万林等提出了一种金属快速凝固热流测试装置及测试方法(中国发明专利，公布号CN105699412A)。该方法中，通过埋覆于水冷铜模中的热电偶记录从石英试管中喷射到铜模表面的钢水快速凝固过程中的温度变化，然后计算出液滴凝固过程中热流的变化。该发明中，仅能够给出熔体与铜辊某一接触点处的热流变化。黄军等提出了一种测量交变磁场作用下凝固界面换热系数的测量装置(中国发明专利，CN103115938A)。该方法中，通过测量感应线圈产生交变磁场作用下金属熔体温度及模具温度变化，利用反传热计算程序获取金属凝固过程中界面换热系数。该发明能够测定熔体温度分布，但是由于热电偶置于金属熔体内部会破坏铸型的结构，因此该发明在测量界面换热系数方面是积极有效的，但是在实际生产测温时往往得不偿失。
综上所述，现有技术存在以下不足：(1)测量点排布单一，只能测一维温度场，无法对三维温度场测定；(2)破坏并污染熔体：测量过程中将热电偶置于熔体内部，测量结束后热电偶将留在熔体中，造成铸件成分变化，在实际生产中，造成极大的资源浪费。
发明内容
本发明提供一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置及方法，能够对熔体进行三维温度场的温度测量，测温过程中，避免将热电偶置于熔体内部，造成铸件成分变化，不破坏和污染熔体，不对熔体产生影响。
本发明提供了一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置，包括：样品熔体、铸型、多个热电偶和数据采集装置，所述样品熔体位于铸型的正上方，所述铸型为圆柱形，根据热电偶的排布需求，在铸型的侧壁和底部分别等间距设置多个凹孔，且凹孔不穿透铸型，将多个热电偶一一对应插入凹孔中，多个热电偶分别与数据采集装置连接。
所述热电偶为NiCr/NiSi、双PtRh或W/Re。
一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定方法，包括以下步骤：
S1、根据熔体的温度选取相应温度的热电偶；
S2、根据实验需求设计热电偶的排布
热电偶分别在铸型底部沿径向和铸型侧壁竖直方向等间距排布，间距为d，热电偶的排布数目分别为m，n，并且m,n≥2；
铸型的直径为D，热电偶沿径向的排布数量为m＝D/2d，根据样品熔体的质量m0和密度ρ估算出样品熔体的体积V＝m0/ρ，由铸型的尺寸估算出，样品熔体落入铸型后的高度为h＝V/π(D/2)2，由此确定沿竖直方向热电偶的排布数量n＝h/d；
S3、数据采集
将样品熔体加热至完全熔化后，停止加热，样品熔体落入铸型中，数据采集装置记录各个热电偶所在位置的温度随时间的变化，分别记为：
Figure GDA0002590428690000033
Figure GDA0002590428690000034
S4、数据处理
根据各个热电偶的温度分布得到铸型底部和侧壁的温度梯度，如下：
底部沿径向即x轴方向的温度梯度Gx为：
Figure GDA0002590428690000031
…，
Figure GDA0002590428690000032
沿侧壁竖直方向即y轴方向的温度梯度Gy为：
Figure GDA0002590428690000041
…，
Figure GDA0002590428690000042
所述步骤S2中热电偶的具体排布方式如下：
沿径向：第一对热电偶位于铸型底部的中心，坐标为(x1，0)，依次排布第二对，第三对，…，第m对，坐标为(xm＝x1+(m-1)d，0)，其中，m＝1,2,…；
沿竖直方向：第1对热电偶位于熔体上表面下方，依次排布第二对，…，第n对，位置为yn＝y1-(n-1)d，其中，n＝1,2,…。
所述步骤S2中间距为d≥5mm。
所述步骤S1选取相应温度的热电偶具体为：
当样品熔体的T＜1000℃时，选择NiCr/NiSi热电偶；当1000℃＜T＜1600℃时，选择双PtRh热电偶；而当1600℃＜T＜2300℃时，选择W/Re热电偶。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过在铸型的侧壁和底部分别等间距设置多个凹孔，且凹孔不穿透铸型，将多个热电偶一一对应插入凹孔中，熔体熔化后落入铸型内，能够对熔体进行三维温度场测定，测温过程中，避免将热电偶置于熔体内部，造成铸件成分变化，不破坏和污染熔体，不对熔体产生影响，同时具有测温准确性高，测量范围广等优点。
通过在铸型的侧壁和底部分别排布热电偶，实现了对于熔体凝固过程中三维温度场的测定，更全面的反映了熔体内部的传热过程。
根据测量精度需求设计热电偶排布的密集程度，可以精确地测定熔体凝固过程中的温度分布，并根据温度分布获得沿x和y方向的温度梯度，为分析金属熔体凝固过程中的凝固组织演变提供热力学依据。
采用热电偶测温，极大地减小了实验误差。
测温过程中，热电偶不与熔体接触，避免了对于铸件的破坏和污染。
附图说明
图1为本发明提供的一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置的结构示意图。
图2为本发明提供的一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定方法的流程图。
附图标记说明：
1-样品熔体，2-铸型，3-热电偶，4-数据采集装置，5-凹孔。
具体实施方式
下面结合附图1-2，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明实施例提供的一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定装置，包括样品熔体1、铸型2、多个热电偶3和数据采集装置4，所述样品熔体1位于铸型2的正上方，所述铸型2为圆柱形，根据热电偶3的排布需求，在铸型2的侧壁和底部分别等间距设置多个凹孔5，且凹孔5不穿透铸型2，将多个热电偶3一一对应插入凹孔5中，多个热电偶3分别与数据采集装置4连接。
所述热电偶3为NiCr/NiSi、双PtRh或W/Re。
所述的热电偶3分别在铸型2底部沿径向和铸型侧壁竖直方向等间距排布，间距为d，并且d≥5mm。所述热电偶的排布数目分别为m，n，并且m,n≥2，具体排布方式如下：
沿径向：第一对热电偶位于铸型2的中心，坐标为(x1，0)，依次排布第二对，第三对，…，第m对，坐标为(xm＝x1+(m-1)d，0)，其中，m＝1,2,…；
沿竖直方向：第1对热电偶位于熔体上表面下方，依次排布第二对，…，第n对，位置为yn＝y1-(n-1)d，其中，n＝1,2,…。
所述铸型2为圆柱形，根据热电偶的排布需求，在铸型2的侧壁和底部分别打孔，并且孔不穿透铸型，将热电偶插入孔中。
如图2所示，本发明实施例提供的一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定方法，包括以下步骤：
本次测量的样品熔体1的对象为高纯Al，其熔点为660℃，因此选择测温范围在0～1000℃的NiCr/NiSi热电偶。
实验之前，根据铸型2的直径D，确定在铸型2底部排布4对热电偶3，第一对热电偶3放置在铸型2的中心，随后沿径向依次排布第二对、第三对、第四对；根据悬浮Al的质量m0和密度ρ，得到其落入铸型2中的高度为h＝4m0/πρD2，由此确定沿铸型2侧壁排布3对热电偶。其中，排布的间距均为d。
根据热电偶3的排布要求，在铸型2的底部和侧壁打孔，并且孔不穿透铸型，将热电偶3分别插入孔中。
采用电磁悬浮技术加热样品至完全熔化后，停止加热，熔体1落入铸型2中，数据采集装置4将记录各个热电偶3所在位置的温度随时间的变化，分别记为：
Figure GDA0002590428690000075
Figure GDA0002590428690000076
由上述的温度分布可以得到铸型底部和侧壁的温度梯度，如下：
沿径向(即x轴方向)的温度梯度Gx为：
Figure GDA0002590428690000071
Figure GDA0002590428690000072
沿侧壁竖直方向(即y轴方向)的温度梯度Gy为：
Figure GDA0002590428690000073
Figure GDA0002590428690000074
本发明通过在铸型的侧壁和底部分别等间距设置多个凹孔，且凹孔不穿透铸型，将多个热电偶一一对应插入凹孔中，熔体熔化后落入铸型内，能够对熔体进行三维温度场测定，通过本发明的装置或方法，避免将热电偶置于熔体内部，造成铸件成分变化，不对熔体产生影响，具有测温准确性高，测量范围广等优点。
通过在铸型的侧壁和底部分别排布热电偶，实现了对于熔体凝固过程中三维温度场的测定，更全面的反映了熔体内部的传热过程。
根据测量精度需求设计热电偶排布的密集程度，可以精确地测定熔体凝固过程中的温度分布，并根据温度分布获得沿x和y方向的温度梯度，为分析金属熔体凝固过程中的凝固组织演变提供热力学依据。
采用热电偶测温，极大地减小了实验误差。
测温过程中，热电偶不与熔体接触，避免了对于铸件的破坏和污染。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据熔体(1)的温度选取相应温度的热电偶(3)；
S2、根据实验需求设计热电偶的排布
热电偶(3)分别在铸型(2)底部沿径向和铸型(2)侧壁竖直方向等间距排布，间距为d，热电偶(3)的排布数目分别为m，n，并且m,n≥2；
铸型(2)的直径为D，热电偶(3)沿径向的排布数量为m＝D/2d，根据样品熔体(1)的质量m0和密度ρ估算出样品熔体(1)的体积V＝m0/ρ，由铸型(2)的尺寸估算出，样品熔体(1)落入铸型(2)后的高度为h＝V/π(D/2)2，由此确定沿竖直方向热电偶(3)的排布数量n＝h/d；
S3、数据采集
将样品熔体(1)加热至完全熔化后，停止加热，样品熔体(1)落入铸型(2)中，数据采集装置(4)记录各个热电偶(3)所在位置的温度随时间的变化，分别记为：
Figure FDA0002590428680000011
Figure FDA0002590428680000012
S4、数据处理
根据各个热电偶(3)的温度分布得到铸型(2)底部和侧壁的温度梯度，如下：
底部沿径向即x轴方向的温度梯度Gx为：
Figure FDA0002590428680000013
…，
Figure FDA0002590428680000014
沿侧壁竖直方向即y轴方向的温度梯度Gy为：
Figure FDA0002590428680000021
…，
Figure FDA0002590428680000022
2.如权利要求1所述的电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定方法，其特征在于，所述步骤S2中热电偶(3)的具体排布方式如下：
沿径向：第一对热电偶位于铸型(2)底部的中心，坐标为(x1，0)，依次排布第二对，第三对，…，第m对，坐标为(xm＝x1+(m-1)d，0)，其中，m＝1,2,…；
沿竖直方向：第1对热电偶位于熔体上表面下方，依次排布第二对，…，第n对，位置为yn＝y1-(n-1)d，其中，n＝1,2,…。
3.如权利要求1所述的电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定方法，其特征在于，所述步骤S2中间距为d≥5mm。
4.如权利要求1所述的电磁悬浮熔体凝固过程三维温度场测定方法，其特征在于，所述步骤S1选取相应温度的热电偶(3)具体为：
当样品熔体(1)的T＜1000℃时，选择NiCr/NiSi热电偶；当1000℃＜T＜1600℃时，选择双PtRh热电偶；而当1600℃＜T＜2300℃时，选择W/Re热电偶。
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